CN110657633B - 一种氢液化系统 - Google Patents

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Abstract

一种氢液化系统，包括氦压缩机单元、第一一级换热器、第二一级换热器、预冷级透平膨胀机组、二级换热器组件、制冷级透平膨胀机组和氢节流阀；氦压缩机单依次连接第一一级换热器、第二一级换热器和二级换热器组件；预冷级透平膨胀机组的入口和第一一级换热器的高压出口连接，其出口和第二一级换热器的低压入口连接；制冷级透平膨胀机组的入口和二级换热器组件的高压出口连接，其出口和二级换热器组件的低压入口连接；第一一级换热器、第二一级换热器和二级换热器组件沿氢传输方向设置；上述氢液化系统，采用惰性气体氦气作为循环工质，相较于氢气作为工质的系统，不需要使用氢气作为冷却工质，进行液化的原料氢气进入系统压力较低，安全性较高。

Description

一种氢液化系统
技术领域
本发明涉及氢液化技术领域，尤其涉及一种氢液化系统。
背景技术
氢能源作为一种二次能源，其具有很多优点，例如热值高、利用无污染等。目前气体运输的高昂成本和较小的输送能力，是氢储能的一大瓶颈。氢能的有效利用必须要首先解决制取、储运和应用等一系列问题，而储运则是氢能应用的重要关键，也是目前氢气用户端价格高的主要原因。国内外除欧洲建有少量氢气长途输运管道外，各国氢储运主要还是依靠压缩氢气和液氢储运两种方式。而采用液氢储运，相比其他几种方式拥有以下几点优势：(1)液氢储运成本更低；(2)液氢储运运量更大；(3)液氢储运纯度更高；(4)液氢加压充装具有更高的效率和更低的成本。
氢液化器是液氢生产的主要装置，用于将常温氢气制冷液化为液体，并进行正仲氢转化，是航空航天、氢能储运等高技术产业的核心技术设备。我国曾自主研发过采用压缩节流的林德-汉普逊循环的氢液化器，但此种液化器采用氢本身作为工质，且运行压力高，安全性较差。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种安全性较好的氢液化系统。
一种氢液化系统，包括氦压缩机单元、一级换热器组件、预冷级透平膨胀机组、二级换热器组件、制冷级透平膨胀机组和氢节流阀，其中，所述一级换热器组件包括第一一级换热器和第二一级换热器；
所述氦压缩机单元的高压出口和所述第一一级换热器的高压入口连接，所述第一一级换热器的高压出口和第二一级换热器的高压入口连接，所述第二一级换热器的高压出口和所述二级换热器组件的高压入口连接；
所述预冷级透平膨胀机组的入口和所述第一一级换热器的高压出口连接，所述预冷级透平膨胀机组的出口和所述第二一级换热器的低压入口连接；
所述制冷级透平膨胀机组的入口和所述二级换热器组件的高压出口连接，所述制冷级透平膨胀机组的出口和所述二级换热器组件的低压入口连接；
所述第一一级换热器设有氢气入口，所述第一一级换热器、所述第二一级换热器和所述二级换热器组件沿氢传输方向设置，所述二级换热器组件设有液氢出口，所述第二一级换热器和所述二级换热器组件均填充有正仲氢催化剂；
所述氢节流阀设于所述二级换热器组件沿氢传输方向的最末端一个二级换热器的入口或出口。
在一个实施例中，所述氦压缩机单元包括氦压缩机组件和设于所述氦压缩机组件和所述第一一级换热器之间的油分离组件。
在一个实施例中，所述油分离组件包括依次设置的多级凝聚式过滤器、一级活性炭吸附筒和一级除尘过滤器。
在一个实施例中，所述氦压缩机单元还包括氦气缓冲罐、加载控制阀、卸载控制阀和旁通调节阀，所述加载控制阀和所述卸载控制阀串联连接，所述加载控制阀和所述油分离组件连接，所述卸载控制阀和所述氦压缩机组件连接，所述旁通调节阀的一端和所述加载控制阀和所述油分离组件之间的连接管路连接，所述旁通调节阀的另一端和所述卸载控制阀和所述氦压缩机组件之间的连接管路连接，所述氦气缓冲罐与所述加载控制阀和所述卸载控制阀之间的连接管路连接。
在一个实施例中，所述预冷级透平膨胀机组为单级透平、多级透平串联或多级透平并联的结构。
在一个实施例中，所述预冷级透平膨胀机组包括第一透平膨胀机和第二透平膨胀机，所述第一透平膨胀机和所述第二透平膨胀机串联连接，所述第一透平膨胀机的入口和所述第一一级换热器的高压出口连接，所述第二透平膨胀机的出口和所述第二一级换热器的低压入口连接。
在一个实施例中，所述二级换热器组件包括沿低压氦气回流方向依次设置的第四二级换热器、第三二级换热器、第二二级换热器和第一二级换热器。
在一个实施例中，所述制冷级透平膨胀机组为单级透平、多级透平串联或多级透平并联的结构。
在一个实施例中，所述制冷级透平膨胀机组包括第三透平膨胀机及第四透平膨胀机，所述第三透平膨胀机的入口和所述第一二级换热器的高压出口连接，所述第三透平膨胀机的出口和所述第三二级换热器的高压入口连接，所述第四透平膨胀机的入口和所述第三二级换热器的高压出口连接，所述第四透平膨胀机的出口和第四二级换热器的低压入口连接。
在一个实施例中，上述氢液化系统还包括第一低温吸附器和第二低温吸附器，所述第一低温吸附器设于所述第二一级换热器的高压出口和所述二级换热器组件的高压入口之间，所述第二低温吸附器设于第二一级换热器的氢出口和所述二级换热器组件的氢入口之间。
上述氢液化系统，通过设置氦气循环系统，采用惰性气体氦气作为循环工质，利用透平膨胀机冷却氦气，相较于氢气作为工质的系统，不需要使用氢气作为冷却工质，进行液化的原料氢气进入系统压力较低，安全性较高。
附图说明
图1为一实施方式的氢液化系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明中所说的固定连接，包括直接固定连接和间接固定。
如图1所示，一实施方式的氢液化系统，包括氦压缩机单元10、一级换热器组件、预冷级透平膨胀机组、二级换热器组件、制冷级透平膨胀机组和氢节流阀21，其中，一级换热器组件包括第一一级换热器HEX1和第二一级换热器HEX2。
氦压缩机单元10的高压出口和第一一级换热器HEX1的高压入口连接，第一一级换热器HEX1的高压出口和第二一级换热器HEX2的高压入口连接，第二一级换热器HEX2的高压出口和二级换热器组件的高压入口连接。
预冷级透平膨胀机组的入口和第一一级换热器HEX1的高压出口连接，预冷级透平膨胀机组的出口和第二一级换热器HEX2的低压入口连接。
制冷级透平膨胀机组的入口和二级换热器组件的高压出口连接，制冷级透平膨胀机组的出口和二级换热器组件的低压入口连接。
第一一级换热器HEX1设有氢气入口，第一一级换热器HEX1、第二一级换热器HEX2和二级换热器组件沿氢传输方向设置，二级换热器组件设有液氢出口，第二一级换热器HEX2和二级换热器组件均填充有正仲氢催化剂。
氢节流阀21设于二级换热器组件沿氢传输方向的最末端一个二级换热器的入口或出口。
上述氢液化系统，氦压缩机单元10的高压出口流出高压氦气，从第一一级换热器HEX1的高压入口进入第一一级换热器HEX1进行换热，从第一一级换热器HEX1的高压出口流出后分为两股，一股进入预冷级透平膨胀机中绝热膨胀制冷，然后直接回流到第二一级换热器HEX2的低压入口；另一股进入二级换热器组件，再进入制冷级透平膨胀机中绝热膨胀制冷，从制冷级透平膨胀机中出来的低温氦气回流到二级换热器组件的低压入口中，完成氦气路循环。氢气由第一一级换热器HEX1设有氢气入口进入氢液化系统，依次经过各级低温换热器冷却，然后经二级换热器组件沿氢传输方向的最末端一个二级换热器的入口或出口处设置的氢节流阀21绝热节流，节流后氢气转变为液氢，进入液氢储罐储存。
上述氢液化系统，通过设置氦气循环系统，采用惰性气体氦气作为循环工质，利用透平膨胀机冷却氦气，相较于氢气作为工质的系统，不需要使用氢气作为冷却工质，进行液化的原料氢气进入系统压力较低，安全性较高。
此外，上述氢液化系统，只需使用氦气循环系统进行降温，采用透平膨胀机实现80K以上温区的预冷，不需要液氮预冷，降低了公用设施要求，适用于液氮不便获得、或价格较高的场合。通过透平膨胀机实现绝热膨胀制冷，制冷效率高。
在其他实施例中，一级换热器组件可以包括两个以上一级换热器，即包括第一一级换热器HEX1、第二一级换热器HEX2、第三一级换热器等。一级换热器组件的一级换热器的数量可以根据实际情况进行设置。
在图1所示的实施例中，氦压缩机单元10包括氦压缩机组件和设于氦压缩机组件和第一一级换热器HEX1之间的油分离组件12。油分离组件12可以将少量的剩余油质(气溶胶或者水蒸气)被除掉，保证进入冷箱20的氦气的油含量小于10ppb。
进一步的，油分离组件12包括依次设置的多级凝聚式过滤器、一级活性炭吸附筒和一级除尘过滤器。
在图1所示的实施例中，氦压缩机单元10还包括氦气缓冲罐11、加载控制阀16、卸载控制阀18和旁通调节阀14，加载控制阀16和卸载控制阀18串联连接，加载控制阀16和油分离组件12连接，卸载控制阀18和氦压缩机组件连接，旁通调节阀14的一端和加载控制阀16和油分离组件12之间的连接管路连接，旁通调节阀14的另一端和卸载控制阀18和氦压缩机组件之间的连接管路连接，氦气缓冲罐11与加载控制阀16和卸载控制阀18之间的连接管路连接。
氦气缓冲罐11、加载控制阀16、卸载控制阀18和旁通调节阀14构成气体管理系统，配置在油分离组件12的撬块上。
当系统降温、液化、制冷负荷变化以及复温等工况变化导致系统循环的氦气流量变化时，气体管理系统通过调节加载控制阀16、卸载控制阀18和旁通调节阀143个阀门的开度，通过氦气缓冲罐11向系统中充入或回收氦气对制冷系统中的氦气流量自动进行调整，保证高压HP及低压LP压力的稳定。
可以理解，预冷级透平膨胀机组为单级透平、多级透平串联或多级透平并联的结构。预冷级透平膨胀机组的结构可以根据实际情况进行设置。
在图1所示的实施例中，预冷级透平膨胀机组包括第一透平膨胀机T1和第二透平膨胀机T2，第一透平膨胀机T1和第二透平膨胀机T2串联连接，第一透平膨胀机T1的入口和第一一级换热器HEX1的高压出口连接，第二透平膨胀机T2的出口和第二一级换热器HEX2的低压入口连接。上述氢液化系统中，利用透平替代液氮预冷的应用场景，对透平膨胀比和制冷量要求很高，使得透平难以设计。而采用两级或多级透平串联，可以显著降低每级透平的膨胀比，易于透平膨胀机的设计制造。
在一个实施例中，在第一透平膨胀机T1前设置有第一控制阀22。
在图1所示的实施例中，二级换热器组件包括沿低压氦气回流方向依次设置的第四二级换热器HEX6、第三二级换热器HEX5、第二二级换热器HEX4和第一二级换热器HEX3。
在一个实施例中，第一一级换热器HEX1、第二一级换热器HEX2、第一二级换热器HEX3、第二二级换热器HEX4、第三二级换热器HEX5和第四二级换热器HEX6的工作温度均为20K以上温区。
可以理解，制冷级透平膨胀机组为单级透平、多级透平串联或多级透平并联的结构。制冷级透平膨胀机组的结构可以根据实际情况进行设置。
在图1所示的实施例中，制冷级透平膨胀机组包括第三透平膨胀机T3及第四透平膨胀机T4，第三透平膨胀机T3的入口和第一二级换热器HEX3的高压出口连接，第三透平膨胀机T3的出口和第三二级换热器HEX5的高压入口连接，第四透平膨胀机T4的入口和第三二级换热器HEX5的高压出口连接，第四透平膨胀机T4的出口和第四二级换热器HEX6的低压入口连接。上述氢液化系统中，利用透平替代液氮预冷的应用场景，对透平膨胀比和制冷量要求很高，使得透平难以设计。而采用两级或多级透平串联，可以显著降低每级透平的膨胀比，易于透平膨胀机的设计制造。
在一个实施例中，在第三透平膨胀机T3前设置有第二控制阀24。
在如图1所示的实施例中，上述氢液化系统还包括第一低温吸附器26和第二低温吸附器28，第一低温吸附器26设于第二一级换热器HEX2的高压出口和二级换热器组件的高压入口之间，第二低温吸附器28设于第二一级换热器HEX2的氢出口和二级换热器组件的氢入口之间。第一低温吸附器26用于去除空气等杂质微量气体污染物。第二低温吸附器28用于去除氢气中所含微量水、氧、氮、碳氢化合物等杂质。
在一个实施例中，第一一级换热器HEX1、第二一级换热器HEX2、第一透平膨胀机T1、第二透平膨胀机T2、第一二级换热器HEX3、第二二级换热器HEX4、第三二级换热器HEX5、第四二级换热器HEX6、第一低温吸附器、第三透平膨胀机T3、第四透平膨胀机T4、第二低温吸附器、氢节流阀21以及以上各个元件之间的连接管路，均固定在真空冷箱20中。
进一步的，真空冷箱20内部设置的的各个元件均采用多层绝热材料包扎。在一个实施例中，第一一级换热器HEX1的高压入口和第一一级换热器HEX1氢气入口均布置有流量计。流量计用于测量氦气流量，检测系统运行状态。氢气流量计用于检测原料氢气供应状态，并计量产品液氢的量。
在一个实施例中，两个相邻的一级换热器的连接管路上、相邻的一级换热器和二级换热器的连接管路上以及两个相邻的二级换热器的连接管路上都设置有温度计。通过设置温度计，可以有效监测各个换热器的进出口温度，控制更为精准。
在一个实施例中，第一透平膨胀机T1、第二透平膨胀机T2、第三透平膨胀机T3和第四透平膨胀机T4的进出口设置有温度计和压力计。通过在透明膨胀机的进出口设置温度计和压力计，可以使得整个氢液化系统控制更加精确可靠。
上述氢液化系统，分为氦气循环管路和氢气液化管路：
氦气循环管路：
离开氦压缩机单元10后的高压(HP)氦气进入到冷箱的第一一级级换热器HEX1，被低压(LP)氦气回气冷却到120K左右，从第一一级级换热器HEX1的高压出口流出后，一股进入预冷级透平膨胀机组，降温至80K通过第二一级换热器的低压入口回流，另一股通过第二一级换热器HEX2被冷却至约80K，再被引入到80K第一低温吸附器中以去除空气等杂质微量气体污染物。HP氦气从第一低温吸附器下游流出后进入第一二级换热器HEX3进一步冷却，然后进第一二级换热器HEX3降温至更低温度，之后进入制冷级透平膨胀机组，通过两级透平串联，中间降温的膨胀回路进行绝热膨胀制冷，变成18～20K左右的低温低压的氦气回到第四二级换热器HEX6低压侧入口；回流低温低压氦气依次逆流依次通过第四二级换热器HEX6、第三二级换热器HEX5、第二二级换热器HEX4、第一二级换热器HEX3、第二一级换热器HEX2和第一一级换热器HEX1，回收冷量后出冷箱，再回到氦压缩机单元10吸气端进行再次循环。
氢气液化管路：
原料氢气进入冷箱经过第一一级换热器HEX1预冷后，进入填充有正仲氢催化剂的第二一级换热器HEX2，降温到约80K，再进入第二低温吸附器去除所含微量水、氧、氮、碳氢化合物等杂质。此后氢气再依次进入填充有正仲氢催化剂的第一二级换热器HEX3、第二二级换热器HEX4和第三二级换热器HEX5冷却后，降温至约25K，再进入节流阀节流，通过焦汤效应降压降温，再经填充有正仲氢催化剂的第四二级换热器HEX6冷却至氢液化点以下(根据流程压力不同，约19～22K)，成为仲氢含量大于95％的产品液氢，进入液氢储罐，液氢被储存在液氢储罐30内。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氢液化系统，其特征在于，包括氦压缩机单元、一级换热器组件、预冷级透平膨胀机组、二级换热器组件、制冷级透平膨胀机组和氢节流阀，其中，所述一级换热器组件包括第一一级换热器和第二一级换热器；
所述氦压缩机单元的高压出口和所述第一一级换热器的高压入口连接，所述第一一级换热器的高压出口和第二一级换热器的高压入口连接，所述第二一级换热器的高压出口和所述二级换热器组件的高压入口连接；
所述预冷级透平膨胀机组的入口和所述第一一级换热器的高压出口连接，所述预冷级透平膨胀机组的出口和所述第二一级换热器的低压入口连接；
所述制冷级透平膨胀机组的入口和所述二级换热器组件的高压出口连接，所述制冷级透平膨胀机组的出口和所述二级换热器组件的低压入口连接；
所述第一一级换热器设有氢气入口，所述第一一级换热器、所述第二一级换热器和所述二级换热器组件沿氢传输方向设置，所述二级换热器组件设有液氢出口，所述第二一级换热器和所述二级换热器组件均填充有正仲氢催化剂；
所述氢节流阀设于所述二级换热器组件沿氢传输方向的最末端一个二级换热器的入口或出口；
所述预冷级透平膨胀机组为单级透平、多级透平串联或多级透平并联的结构；
所述预冷级透平膨胀机组包括第一透平膨胀机和第二透平膨胀机，所述第一透平膨胀机和所述第二透平膨胀机串联连接，所述第一透平膨胀机的入口和所述第一一级换热器的高压出口连接，所述第二透平膨胀机的出口和所述第二一级换热器的低压入口连接；
离开所述氦压缩机单元的高压氦气进入到冷箱的所述第一一级级换热器，被低压氦气回气冷却到120K左右，从所述第一一级级换热器的高压出口流出后，一股进入所述预冷级透平膨胀机组，降温至80K通过所述第二一级换热器的低压入口回流，另一股通过所述第二一级换热器被冷却至80K，再被引入到第一低温吸附器中以去除空气等杂质微量气体污染物。
2.如权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，所述氦压缩机单元包括氦压缩机组件和设于所述氦压缩机组件和所述第一一级换热器之间的油分离组件。
3.如权利要求2所述的氢液化系统，其特征在于，所述油分离组件包括依次设置的多级凝聚式过滤器、一级活性炭吸附筒和一级除尘过滤器。
4.如权利要求2所述的氢液化系统，其特征在于，所述氦压缩机单元还包括氦气缓冲罐、加载控制阀、卸载控制阀和旁通调节阀，所述加载控制阀和所述卸载控制阀串联连接，所述加载控制阀和所述油分离组件连接，所述卸载控制阀和所述氦压缩机组件连接，所述旁通调节阀的一端和所述加载控制阀和所述油分离组件之间的连接管路连接，所述旁通调节阀的另一端和所述卸载控制阀和所述氦压缩机组件之间的连接管路连接，所述氦气缓冲罐与所述加载控制阀和所述卸载控制阀之间的连接管路连接。
5.如权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，所述二级换热器组件包括沿低压氦气回流方向依次设置的第四二级换热器、第三二级换热器、第二二级换热器和第一二级换热器。
6.如权利要求5所述的氢液化系统，其特征在于，所述制冷级透平膨胀机组为单级透平、多级透平串联或多级透平并联的结构。
7.如权利要求6所述的氢液化系统，其特征在于，所述制冷级透平膨胀机组包括第三透平膨胀机及第四透平膨胀机，所述第三透平膨胀机的入口和所述第一二级换热器的高压出口连接，所述第三透平膨胀机的出口和所述第三二级换热器的高压入口连接，所述第四透平膨胀机的入口和所述第三二级换热器的高压出口连接，所述第四透平膨胀机的出口和第四二级换热器的低压入口连接。
8.如权利要求1所述的氢液化系统，其特征在于，还包括第一低温吸附器和第二低温吸附器，所述第一低温吸附器设于所述第二一级换热器的高压出口和所述二级换热器组件的高压入口之间，所述第二低温吸附器设于第二一级换热器的氢出口和所述二级换热器组件的氢入口之间。
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